10. April 2020

PTFE-Schmierung in hochbelasteten Wälzkontakten

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: a) Linke Spalte: Hexanmoleküle zwischen Fe(001)-Oberflächen. Bei einem Druck von 12 GPa deformieren sich die Alkanmoleküle und passen sich auf atomarer Skala an die Fe-Oberflächen an ohne dass chemische Reaktionen stattfinden. Rechte Spalte: Perfluorierte Hexanmoleküle zwischen Fe(001)-Oberflächen. Bei einem Druck von 7 GPa kommt es zur spontanen Zersetzung der C6F14-Moleküle. b) Schnappschuss einer großskaligen Molekulardynamik von PTFE unter tribologischer Belastung bei der sich die Moleküle entlang der Scherrichtung ausrichten. Jede Farbe entspricht dabei einem PTFE-Molekül.

Thomas Reichenbach, Dr. Leonhard Mayrhofer, Dr. Gianpietro Moras, Prof. Dr. Michael Moseler

Aufgrund guter Reibungs- und Verschleißverringerung wird der Festschmierstoff Polytetrafluorethylen (PTFE) häufig in trockenlaufenden Gleitlagern und gering belasteten Wälzlagern  eingesetzt. Für hochbelastete Wälzkontakte hingegen ist die Festigkeit des PTFEs nicht mehr ausreichend, so dass eine direkte Beschichtung der Oberflächen zur Lebensdauerschmierung nicht möglich ist. Stattdessen muss die Schmierung des Kontakts durch einen sehr dünnen (<1 μm) Schmierstofffilm gewährleistet sein. Dieser kann durch Bereitstellung und Übertrag des PTFEs außerhalb des Kontakts auf eine der beiden Oberflächen sichergestellt werden. Die Schmiermechanismen im Kontakt sind für hochbelastete Wälzkontakte bislang unzureichend untersucht und verstanden. Eine Kooperation zwischen der RWTH Aachen und dem Fraunhofer IWM im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ (SPP 2074) zielt derzeit darauf ab, diese Wissenslücke zu schließen. Das Forschungsvorhaben strebt ein fundamentales Verständnis auf mikroskopischer Betrachtungsebene mittels atomistischer Simulationen an (Fraunhofer IWM), die Übertragung der Erkenntnisse auf die Makroskala erfolgen mittels kontinuumsmechanischer Simulationen und experimenteller Untersuchungen (RWTH Aachen).

Um die Bedeutung tribochemischer Reaktionen von PTFE in Kontakt mit Stahloberflächen zu untersuchen, werden momentan quantenmechanische Rechnungen von perfluorierten Kohlenwasserstoffen auf Eisen- und Eisenoxidoberflächen durchgeführt und mit dem entsprechenden nichtfluorierten Molekül verglichen, siehe Abbildung 1a. Hierbei zeigen die Arbeiten deutliche Unterschiede in der mechanischen Belastbarkeit und Oberflächenchemie zwischen perfluorierten und nichtfluorierten Molekülen. Inwieweit hohe mechanische Belastung zu einer chemischen Anbindung  von PTFE auf Stahl-Oberflächen führt, wird im weiteren Projektverlauf erforscht.

Zusätzlich werden großskalige Molekulardynamik Simulationen durchgeführt um die grundlegenden molekularen Reibvorgänge des PTFEs zu verstehen, siehe Abbildung 1b. Kürzlich am IWM veröffentliche Ergebnisse in der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.9b18019)  zur Reibung von Wasserstoff- und Fluor terminierten Kohlenstoffoberflächen legen nahe, dass insbesondere die sterische Wechselwirkung zwischen den F-Atomen im Reibkontakt wichtig für die Reibung ist. Die bisherigen Ergebnisse suggerieren, dass diese Erkenntnisse auch für PTFE unter tribologischer Belastung gültig sind. Zusätzlich zeigen die Simulationen, dass die Reibung stark von der vorliegenden PTFE-Phase abhängt. Insbesondere werden PTFE-Moleküle, falls möglich, durch Scherung entlang der Scherrichtung ausgerichtet um die Scherspannung zu minimieren, siehe dazu Abbildung 1b.

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